1、2022-5-24山東科技大學第六章 自動檢測系統應用舉例2022-5-24山東科技大學第六章 自動檢測系統應用舉例v第一節 KJ216頂板動態（礦壓）監測系統v第二節 膠帶輸送機集散控制系統v第三節 高速公路車輛自動計數裝置2022-5-24山東科技大學第一節第一節 KJ216頂板動態（礦壓）監測系統頂板動態（礦壓）監測系統v一、煤礦頂板安全監測系統結構與組成一、煤礦頂板安全監測系統結構與組成v 煤礦頂板安全網絡監測系統是以山東省尤洛卡自動化儀表有限公司研制的“KJ216煤礦頂板動態監測系統”為基礎組建開發的。主要特點是采用兩級總線樹型結構，每個采區可構建相對獨立的監測子系統。系統通訊部分以

2、時分制數字基帶傳輸為主要通訊形式。數據傳輸兼容電話線、單模光纖、以太環網三種通訊方式。 v系統組成從功能上分：工作面支架作阻力檢測、圍巖離層運動檢測、錨桿載荷應力檢測、煤巖支撐應力檢測四個組成部分。 2022-5-24山東科技大學監測計算機網絡系統工 作阻 力監測頂 板離 層監測錨 桿應 力監測圍 巖應 力監測井上井下2022-5-24山東科技大學1系統的監測功能組成v監測系統由井下和井上兩大部分組成，如圖6-1所示。監測系統有4個不同監測功能的子系統，4個監測子系統從功能上加以區分，硬件結構使用統一的總線地址編碼，系統的實際布置上分站可以混合排列，監測服務器通過通訊協議區分數據類型。井上檢測

3、服務器（計算機）可接入礦區局域網絡，支持網絡在線監測和信息共享。2井上監測信息與報警網絡井上監測信息與報警網絡如圖6-2所示，包括：數據接收單元、監測服務器；礦井辦公局域網和客戶端；GPRS數據收發單元和圖文短信手機用戶群。 2022-5-24山東科技大學井上井下礦井局域網GPRS公 用數 據網 井下頂板監測網絡礦區廣域網監測服務器GPRS 收發器UFAQI 2022-5-24山東科技大學v監測系統接入礦井以太環網時，監測服務器須接入環網段，監測服務器配置了雙網口。監測服務器接入局域網的方式有兩種，第一種方式通過微軟公司提供OPC接口連接到局域網（外網），如圖6-3所示，局域網的客戶端和Web

4、服務器可安裝C/S和B/S版監測軟件，通過操作系統底層鏈接獲取礦井環網（內網）的監測數據。另一種方式是將通訊接口接入到礦井環網內，如圖6-4所示，通訊接口內置NPORT模塊，通過NPORT模塊轉化為RS-232/485接口信號連接到監測服務器，監測服務器直接接入局域網中。 2022-5-24山東科技大學外網以太環網監測服務器OPCRJ45局域網2022-5-24山東科技大學監測主機RS232以太環網外網監測服務器RJ45局域網圖6-4 井上聯網方案二2022-5-24山東科技大學v 3井下部分硬件組成vKJ216頂板動態監測系統井下部分包括：通訊主站、測區通訊分站、測區壓力監測分機、頂板離層監

5、測傳感器、錨桿/錨索應力監測傳感器、鉆孔應力傳感器以及防爆型供電電源和通訊電纜組成。如圖6-5，6-6所示。2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學二、系統實現功能、系統實現功能1井上計算機動態模擬顯示監測參數、報警 監測服務器和客戶端可實時顯示監測點的數據和直方圖，當監測數據超限時能自動聲音報警并記錄報警事件。2井下現場顯示數據和報警 井下的壓力監測分站、離層傳感器可實時監測數據，能根據設定報警參數報警指示，通訊分站可實時顯示每個測點的數據并有報警狀態指示。 2022-5-24山東科技大學3監測數據自動記錄存儲 井上監測服務器能根據設置記錄周

6、期將數據存儲到數據庫，形成歷史數據。4連續監測曲線顯示、分析 軟件支持服務器端和客戶端的歷史曲線和測線加權數據分析。5監測數據綜合專業化分析CMPSES監測分析軟件綜合了礦壓理論數學模型，支持綜合專業化數據分析。（1）工作面支架循環工作阻力分析（2）測線（或上、中、下部）頂板運動規律分析（3）工作面頂板壓力分布分析2022-5-24山東科技大學（4）支架液壓系統故障診斷 （5）工作面周期來壓步距、強度分析等 （6）巷道頂板及圍巖運動分析（7）巷道支護應力變化分析（8）監測段頂板冒落綜合預警（9）多元參數關聯分析及預警6歷史數據查詢及報表輸出歷史數據時間區間查詢，歷史曲線查詢和輸出，統計分析，輸

7、出標準綜合分析報表。7局、礦頂板動態監測網絡功能軟件采用C/S +B/S結構，支持局域網、廣域網客戶端監測模式和Web用戶瀏覽器模式數據共享。2022-5-24山東科技大學三、三、KJ216頂板動態（礦壓）監測系統頂板動態（礦壓）監測系統v（一）系統的組成v由計算機、防雷器、KJ216-J礦用數據通訊接口等及其他必要設備組成。如圖6-7所示。v（二）系統供電電源v與系統配套提供的供電電源為KDW22、KDW28兩種隔爆兼本安型電源。KDW22為普通非延時型供電電源，KDW28為帶后備延時的供電電源。對于經常性短時停電的使用場合，采用KDW28電源供電。KDW28電源內置免維護電池，它與其他充電

8、電池的特性一樣，新電池在使用時需經23個充電循環才能達到額定輸出容量，長期浮充電造成的電池記憶效應可能會使延時輸出變短。2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學（三）礦壓參數的檢測方法v1、工作阻力監測及工作過程 工作面頂板支護的基本手段是液壓支架或單體液壓支柱，乳化液為壓力傳遞介質，支架或支柱對頂板的支撐能力稱為支護阻力，支護阻力反映了頂板對支護設備的作用強度，頂板的壓力作用可通過支架或支柱內腔的介質壓力顯現出來。液壓壓力的測量是很經典的測量方式，方法也很多，本系統采用了電阻應變式測量方法實現。2022-5-24山東科技大學v電阻應變式傳感器具有結構簡單、體積小、響應頻率

9、高、易進行結構設計等優點，基本原理是應變計（圓膜片）由一個電橋組成，當電橋的橋臂電阻改變時電橋失去平衡，輸出一個不平衡電壓，其輸出電壓的大小與橋臂的電阻的改變量成比例關系。電橋輸出的微弱（毫伏級）電壓信號，經過運算放大器放大輸出給A/D電路轉換后由計算機采集并進行處理。 綜采壓力監測分站采用了傳感器、數據采集電路、顯示電路和數據通訊接口一體化，能自動采集數據并自動判斷初撐力、最大工作阻力，顯示各通道的數據。每臺監測分站包含三個壓力監測通道，支架的高壓腔由管路連接到壓力通道。壓力監測分站在供電狀態獨立工作，每1S監測一次三個通道的壓力數據，由程序自動判斷初撐力、最大工作阻力，LCD顯示器顯示三個

10、通道的數據，通過面板控制鍵可啟動背光顯示。當壓力監測分站收到總線請求發送數據指令時，自動將數據發送到總線。2022-5-24山東科技大學 2、頂板離層監測過程v（1）離層傳感器的原理和結構頂板離層傳感器采用基點位移測量方法，在頂板上打一鉆孔，在鉆孔內布置兩組基點，當頂板發生運動時，基點的位置也發生變化，基點由鋼絲繩牽引傳感器內的機械部件運動，傳遞出電壓信號。基點的運動屬直線位移的變化，傳感器的機械結構將位移的運動轉換成角位移的旋轉運動，旋轉部件連接角位移傳感器，角位移傳感器輸出與角度比例對應的電壓信號。電壓信號被單片電路采集轉換，顯示數據并通過總線接口將數據發送到上位分站。離層傳感器的結構如圖

11、6-8所示。2022-5-24山東科技大學1錨爪（基點），2固定管，3托盤，4鋼絲繩緊固螺絲，5殼體，6銘牌，7刻度尺，8變送器圖6-8 離層傳感器結構圖2022-5-24山東科技大學v（2）離層傳感器的安裝v離層傳感器采用頂板鉆孔安裝，鉆孔的直徑2729mm，兩個基點分別安裝在不同的深度，基點的安裝深度由用戶根據現場條件確定。安裝方法如圖6-9所示。2022-5-24山東科技大學v安裝時應注意盡量避開淋水處。其安裝步驟為：v1）在頂板上打鉆孔，一般用風動錨桿鉆機打孔，打孔鉆頭選28mm為宜。v2）用安裝桿將A、B兩個基點的錨爪推到所需的深度。v3）將傳感器的固定管推入鉆孔，分別拉緊兩個基點的

12、鋼絲繩并用緊固螺釘固定。v4）將信號線與總線接線盒連接。v5）接通電源后，用FCH32/0.2礦用本安型手持采集器進行設置，將傳感器進行校零。2022-5-24山東科技大學（3）離層傳感器的工作過程v離層監測傳感器采用一體化設計，在通電狀態獨立工作，自動采樣周期為1S，可通過上位通訊分站或編碼器設置傳感器的參數。傳感器由CPU控制監測頂板位移參數，礦燈照射時通過LED顯示器顯示數據，當監測數據超過設置的報警值時產生聲光報警指示。傳感器內置總線接口連接到RS-485總線，傳感器收到總線請求發送數據指令時，自動將數據發送到總線。2022-5-24山東科技大學v離層監測傳感器上位連接到綜合數據通訊分

13、站，每臺綜合數據通訊分站最大可連接128臺頂板離層傳感器（或64臺離層傳感器+64臺錨桿應力傳感器） ，每臺離層傳感器有唯一的地址編碼，通訊分站按地址編碼順序巡測各離層傳感器的數據，循環顯示各測點的數據。通訊分站可診斷并顯示下位壓力監測的工作狀態（正常/故障）。2022-5-24山東科技大學3、錨桿應力監測v （1）錨桿傳感器的原理和結構 錨桿應力傳感器也采用了電阻應變載荷測量方法，首先設計一個彈性元件，當力作用到彈性元件上時，彈性體產生形變，在彈性體筒壁上900等分粘貼有4個單橋應變計，4個單橋組成一個電阻全橋，當筒壁受力產生形變時，電橋失去原有的平衡輸出一個不平衡電壓，電壓信號經放大器放大

14、后再經過A/D轉化，由單片計算機采集，通過接口輸出到上位通訊分站。錨桿應力傳感器結構如圖6-10所示。 2022-5-24山東科技大學1-緊固螺釘，2-穿孔，3-出線咀，4-應變體，5-導向盤，6-外殼，7-信號電纜圖6-10 傳感器結構示意圖2022-5-24山東科技大學v（2）錨桿傳感器的安裝v 錨桿應力傳感器采用穿孔固定安裝，穿孔直徑25mm，導向盤的穿孔直徑依錨桿的直徑確定。錨桿傳感器安裝在錨桿的托盤和緊固螺母之間，傳感器安裝時要注意居中，偏離中心安裝時會造成一定的測量誤差。安裝方法如圖6-11所示。2022-5-24山東科技大學v安裝步驟為：v先放入托盤，將傳感器穿入錨桿中，保持傳感

15、器居中，旋緊錨桿的緊固螺母。v將錨桿傳感器的輸出信號電纜按信號順序接入到三通接線盒。（3）錨桿傳感器的工作過程錨桿傳感器配套總線變送器工作，固定設置變送器編碼。傳感器輸出標準的電壓信號，變送器由CPU控制監測傳感器輸出信號。傳感器內置總線接口連接到RS-485總線，傳感器收到總線請求發送數據指令時，自動將數據發送到總線。2022-5-24山東科技大學 4、鉆孔應力監測v鉆孔應力監測是一種力的測量，準確地說是壓力的測量。鉆孔應力的測量方法可以間接的測量煤巖深部的局部作用應力，并作為分析采場應力分布和運動的重要依據。v 具體實現方法是設計了一個壓力形變轉換彈性部件彈性體，壓力作用到彈性體的工作膜上

16、，使彈性體的工作膜產生形變，工作膜上粘貼有應變計（圓膜片），應變計電橋失去平衡，輸出微信號電壓。 2022-5-24山東科技大學v 煤巖支撐應力監測傳感器又稱鉆孔應力傳感器，其結構見圖6-12所示。鉆孔應力傳感器配套總線變送器工作，固定設置變送器編碼，傳感器輸出標準的電壓信號。變送器由CPU控制監測傳感器輸出信號，變送器內置總線接口連接到RS-485總線，變送器收到總線請求發送數據指令時，自動將數據發送到總線。1234ABCD4321DCBA變送器板導向錐應變體F應變計變送器信號電纜爐、纜2022-5-24山東科技大學 5、采空區充填體應力監測v充填體應力傳感器采用標準電壓信號輸出，考慮到使用

17、的環境，與變送器集散式連接，每個傳感器使用一條通訊線路連接到變送器，變送器與通迅分站總線連接，變送器固定設置編碼，變送器內置總線接口連接到RS-485總線，變送器收到總線請求發送數據指令時，自動將數據發送到總線。2022-5-24山東科技大學 6、井下數據通訊系統v 通訊主站與多臺通訊分站構成上下位主從關系，主站與分站之間通過一級總線連接。通訊分站固定設置地址編碼，主站依次巡測每個分站，分站接收巡測指令后，將分站已經存儲的數據幀發送到通訊主站。通訊主站將每次巡測的數據通過主傳輸系統發送到井上接收主機。主傳輸系統有三種接口：方式1，RDS-100有線電纜通訊方式（電話線）；方式2，單模光纖專線通

18、訊方式；方式3，符合TCP/IP協議的以太環網通訊方式。以上傳送方式均支持串行異步透明傳送。2022-5-24山東科技大學7、井上接收及數據處理系統v接收主機以以上三種方式之一接收到井下傳送的數據，容錯后直接發送到監測服務器，監測服務器安裝CMPSES監測分析軟件，將數據存儲到數據庫，并根據用戶的要求進行不同的數據分析和報警。v局域網用戶可安裝或下載客戶端軟件，實現在線同步監測。若監測局域網Web服務器，可安裝B/S監測軟件，局域網或互聯網用戶可通過瀏覽器方式共享監測信息。2022-5-24山東科技大學第二節 膠帶輸送機集散控制系統 v膠帶輸送機的自動控制系統實現了“有煤則開、無煤則停” 自動

19、化控制。膠帶輸送機有多種保護功能和監控方式，如低速保護功能、溫度保護、跑偏保護、煙霧保護、煤倉煤位保護、堆煤保護、斷電自動灑水、急停閉鎖及顯示故障報警等，系統框圖如圖6-13所示。下面介紹其各組成部分。2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學一、系統簡介v 集散式計算機控制系統是由一臺集中單片機控制系統（主機系統）和多個分散區域單片機控制系統（從機系統）所構成。該系統是以單片機為核心，以RS-485串行接口為遠距離通信等組成的集中和多分散區域為一體的計算機控制系統。v 每一個區域單片機控制系統，可以分接多個故障檢測傳感器，完成從機對各個檢測點進行巡回檢測，而集中控制單片機系

20、統也同樣可以掛接多個單片機系統，它們之間由地址編碼來實現集中單片機控制系統對各個區域的膠帶輸送機進行巡回檢測，以完成對膠帶機全部系統運行狀態的監控。2022-5-24山東科技大學二、數據采集部分v本系統采用的數據采集電路是利用傳感器采集現場數據，所用的傳感器有溫度傳感器，速度傳感器，煙霧傳感器，跑偏傳感器，堆煤傳感器、煤位傳感器等。v溫度傳感器采集的數據為模擬量，其它傳感器采集的數據均為開關量，開關量輸出是利用控制設備處于“開”或“關”狀態的時間來運行控制的。 v 開關量采集是按單片機89C51的要求，把其可采集的開關量信號送給CPU89C51。電路的核心就是一片16通道單端模擬開關芯片406

21、7。開關量信號是檢測傳感器把檢測的結果信號接至光耦，再由光耦接至 4067的輸入通道端。 2022-5-24山東科技大學1、開機信號 v開機信號用開機傳感器KJ來采集。開機傳感器選用霍爾傳感器，霍爾傳感器是基于霍爾效應原理，利用霍爾元件將被測量轉換成電勢輸出的一種傳感器，其核心部件是霍爾元件。v傳感器輸出低電平信號就表明有煤流出，把此低電平信號作為開機信號傳給控制系統，控制系統得到此信號后作開機處理。當無煤流出時，控制系統檢測輸出為高電平，控制系統便作停機處理。2022-5-24山東科技大學2、堆煤信號 v煤倉中堆煤信號的檢測采用光電式物位傳感器，傳感器輸出低電平信號作為堆煤發生的信號，堆煤信

22、號傳給控制系統，控制系統依據堆煤系統信號是高電平還是低電平作出相應的堆煤保護處理。3、跑偏信號 檢測跑偏信號使用的是磁電式傳感器，該傳感器安裝在皮帶邊緣的旁邊。當皮帶跑偏時，皮帶就會碰觸其旁邊的鐵桿，使鐵桿偏離磁場，鐵桿是磁路的組成部分之一，當鐵桿偏離磁場時，傳感器輸出信號由高電平變為低電平。把低電平信號作為皮帶跑偏的信號傳給監控系統，監控系統從信號是高電平還是低電平來作出相應的跑偏保護處理。2022-5-24山東科技大學4、煙霧信號 v煙霧信號由煙霧傳感器來采集，煙霧傳感器選用半導體氣敏傳感器，對可燃氣體、煙霧等均有較高的靈敏度。氣敏傳感器檢測后，使其輸出信號由高電平變為低電平。把此低電平信

23、號傳給控制系統，控制系統根據煙霧信號作出相應煙霧保護處理。5、速度信號 速度傳感器選用霍爾轉速表，霍爾轉速表的主要工作原理是利用霍爾元件在控制電流恒定情況下，當它感受的磁場B變化時，霍爾輸出電勢值也要發生相應的變化 2022-5-24山東科技大學6、溫度信號 v溫度信號由溫度傳感器AD590來采集，選用AD590電流型傳感器，其產品需要外圍溫度補償和線性處理，使用的是直流電源。電壓為4-20V，在-55150范圍內，阻抗為10兆歐左右，信號傳輸距離可達100m以上。AD590型溫度傳感器將電流信號變為電壓信號，其靈敏度為1毫伏。選用集成溫度傳感器有助于提高系統的可靠性。由溫度傳感器發出控制信號

24、給控制系統，控制系統得到信號后作出溫度保護處理。2022-5-24山東科技大學三、電源部分v煤礦的工作面環境較差，其工頻電源不是很穩定，為使計算機控制系統更好的實現其功能，需要其電源供給有較好的穩定性和濾波措施。這樣，就需設計一個有工頻電源轉換為滿足系統要求的12V和+5V的直流穩壓電源。v兩種直流穩壓電源的原理圖如圖6-14和圖6-15。2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學四、主機部分v在系統中，采用查詢方式以提高系統的可靠性。單片機89051對ADC0809的轉換結果數據的讀取采用查詢方式。每次通過寫信號來啟動轉換，并延時一段時間，延時時間大于A/D轉換時間，然后再

25、讀取轉換結果存入89C51的RAM區 五、通信部分在實際應用過程中，經常需要多個微處理系統協調工作，圖6-16就是用AT89051構成的多機通信系統。2022-5-24山東科技大學2022-5-24山東科技大學六、軟件部分v1、 主機流程圖及原理v執行主機程序時，首先對MAX7219、X25045初始化，讀取X25045中存儲的溫度、速度報警值，并將該值顯示出來。軟件查詢報警值是否需要修改，若修改，通過鍵盤將新的數據寫入數據存儲器中，若不需要修改，則調用子程序依次讀取所有分級各種保護狀態。系統按地址來選擇從機，接受其傳來的各狀態數據，再判斷各個狀態位是否正常。若主機系統判斷出某狀態位不正常，就

26、用顯示電路把此從機的地址碼顯示出來，同時點亮報警狀態指示燈及報警，并且發出停機信號給從機，讓其控制的運輸機停機。此后，主機就一直查詢此故障膠帶輸送機的故障源被排除與否，若知其故障源被排除，故障監控系統發來解鎖信號，就立即停止其狀態指示報警。同時又依次發出開機信號給從機系統，使其重新開始運行。其主機程序流程圖如圖6-17所示。2022-5-24山東科技大學2、從機流程圖及原理v分級首先查詢4067采集的有煤傳感器信號，若有煤，點亮有煤預警燈，并延時三秒確定的確有煤，開車，啟動皮帶機運行。同時檢查各皮帶機各種保護狀態，若皮帶機有異常，設置異常標志位，繼續查詢，直到狀態正常，清除標志位。若有煤傳感器

27、測試無煤時，則三分鐘停止皮帶運轉，若煙霧傳感器測試到煙霧時，停車并啟動灑水閥灑水，緊急情況實現停機閉鎖。停機閉鎖通過人工按鍵解除。2022-5-24山東科技大學v若煤位監測點的監測數據不正常，CPU控制本機停機，只有得到有煤信號后控制本機重新開機運行。若其他控制點的監測數據不正常，CPU先控制本機停機，同時把其狀態送給主機系統，就等待解鎖信號，直到得到解鎖信號后才控制本機開機。同時送出解鎖信號給主機；若次檢測點監測數據正常，CPU則選擇下一個監測點，對下一個監測點進行檢測這樣循環不止，從而完成對各個監測點的監控。在監測其間，從機系統又同時接收主機系統所發來的數據命令，完成相應的工作。其從機程序的流程圖如圖6-18所示。 2022-5-24山東科技大學第三節 高速公路車輛自動計數裝置v一、